Pengaruh Suhu Reaksi Dan Jumlah Katalis Pada Pembuatan Biodiesel Dari Limbah Lemak Sapi Dengan Menggunakan Katalis Heterogen CaO Dari Limbah Kulit Telur Ayam

(1)

PENGARUH SUHU REAKSI DAN JUMLAH KATALIS

PADA PEMBUATAN BIODIESEL DARI LIMBAH

LEMAK SAPI DENGAN MENGGUNAKAN

KATALIS HETEROGEN CaO DARI

LIMBAH KULIT TELUR AYAM

SKRIPSI

Oleh

100405051

WENDI

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

(2)

PENGARUH SUHU REAKSI DAN JUMLAH KATALIS

PADA PEMBUATAN BIODIESEL DARI LIMBAH

LEMAK SAPI DENGAN MENGGUNAKAN

KATALIS HETEROGEN CaO DARI

LIMBAH KULIT TELUR AYAM

SKRIPSI

Oleh

100405051

WENDI

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

(3)

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

PENGARUH SUHU REAKSI DAN JUMLAH KATALIS PADA PEMBUATAN BIODIESEL DARI LIMBAH LEMAK SAPI

DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS HETEROGEN CaO DARI LIMBAH KULIT TELUR AYAM

dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.

Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan, 22 Oktober 2014

(4)

PENGESAHAN

Skripsi dengan judul:

PENGARUH SUHU REAKSI DAN JUMLAH KATALIS PADA PEMBUATAN BIODIESEL DARI LIMBAH LEMAK SAPI

DENGAN MENGGUNAKAN KATALIS HETEROGEN CaO DARI LIMBAH KULIT TELUR AYAM

dibuat sebagai kelengkapan persyaratan skripsi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Mengetahui,

Koordinator Skripsi

NIP. 19681214 199702 2 002 Ir. Renita Manurung, M.T

Medan, 22 Oktober 2014 Dosen Pembimbing

NIP. 19650115 199003 1 002 Dr. Ir. Taslim, M.Si

Dosen Penguji I

NIP. 19680820 199501 1 001 Dr. Eng. Ir. Irvan, M.T

Dosen Penguji II

NIP. 19680808 199403 2 003

(5)

PRAKATA

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Pengaruh Suhu Reaksi Dan Jumlah Katalis Pada Pembuatan Biodiesel Dari Limbah Lemak Sapi Dengan Menggunakan Katalis Heterogen CaO Dari Limbah Kulit Telur Ayam”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Universtas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik.

Melalui penelitian ini diperoleh hasil biodiesel dari limbah lemak sapi dengan reaksi transesterifikasi menggunakan katalis heterogen CaO dari limbah kulit telur ayam, sehingga hasil yang diperoleh dapat dimanfaatkan khususnya mengurangi jumlah penggunaan bahan bakar fosil.

Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, 7 Oktober 2014

(6)

DEDIKASI

Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada :

1. Kedua orang tua penulis tercinta, Tju Leng dan Yulianti serta adik tercinta, Tommy yang telah banyak mendukung penulis sampai saat ini.

2. Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.

3. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si dan Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 4. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia USU. 5. Ibu Dr. Ir. Fatimah, M.T, selaku Sekretaris Departemen Teknik Kimia

USU.

6. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T, selaku Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimia USU.

7. Dr. Ir. Hamidah Harahap, M.Si sebagai Dosen Pembimbing Akademik. 8. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen

Teknik Kimia USU yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis.

9. Valentinoh Cuaca atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini.

10. Kak Alida sebagai pegawai di Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) yang telah membantu dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. 11. Sahabat-sahabat stambuk 2010 di Teknik Kimia khususnya Herbert, Jekky

Bahagia, Ely dan Felicia yang telah memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis.

(7)

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama : Wendi

NIM : 100405051

Tempat, tanggal lahir : Tanjung Balai, 10 Juli 1992 Nama orang tua : Tju Leng dan Yulianti Alamat orang tua :

Jl. Hamdoko No. 16 L Tanjung Balai Asal Sekolah:

• SD Tritunggal Tanjung Balai tahun 1998-2004 • SMP Tritunggal Tanjung Balai tahun 2004-2007

• SMA Sisingamangaraja Tanjung Balai tahun 2007-2010 Beasiswa yang diperoleh:

1. Beasiswa Peningkatan Prestasi Akademik (PPA) tahun 2011 2. Beasiswa Tanoto Foundation tahun 2012-2014

Pengalaman Kerja dan Organisasi:

1. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2013/2014 sebagai Anggota Bidang Pendidikan dan Kaderisasi

2. Asisten Laboratorium Operasi Teknik Kimia Departemen Teknik Kimia FT USU tahun 2013-2014 modul Heat Exchanger, Sedimentation, Absorption, Tray Drier, dan Mixing

Artikel yang telah diseminarkan pada The 5th Sriwijaya International Seminar on Energy and Environmental Science and Technology 2014 (SISEEST 5th 2014) yang berlangsung di Palembang pada 10-11 September 2014:

1. Effect of Reaction Temperature and Catalyst Concentration for

Producing Biodiesel from Beef Tallow Waste Using Heterogeneous Catalyst CaO from Waste Eggshell

(8)

ABSTRAK

Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif untuk mesin diesel yang terdiri dari alkil monoester dari minyak tumbuhan atau lemak hewan. Lemak sapi adalah bahan baku non pangan dengan biaya produksi rendah dan ketersediaannya sangat besar dalam produksi ternak. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memanfaatkan limbah lemak hewan (sapi) dalam pembuatan biodiesel dengan menggunakan katalis oksida padat. Katalis oksida padat ini berasal dari limbah kulit telur. Limbah kulit telur dikalsinasi dengan suhu 900oC dan waktu 2 jam, untuk mengubah kalsium menjadi katalis CaO aktif. Minyak lemak sapi mengandung kadar asam lemak bebas yang tinggi yaitu 1,86%. Kadar asam lemak bebas dalam minyak dapat dikurangi dengan proses esterifikasi menggunakan katalis asam. Produk dari tahap esterifikasi ini dilanjutkan dengan tahap transesterifikasi untuk memproduksi biodiesel. Proses transesterifikasi ini menghasilkan metil ester dan gliserol. Metil ester yang dihasilkan pada lapisan atas dipisahkan dari gliserol dan kemudian dicuci. Pengaruh dari berbagai variabel proses seperti jumlah katalis dan suhu diamati dalam percobaan ini. Spesifikasi biodiesel seperti kadar metil ester, densitas, viskositas, dan titik nyala disesuaikan dengan Standar Nasional Indonesia (SNI). Di bawah kondisi terbaik, yield maksimum dari biodiesel lemak sapi adalah 82,43% yang didapat dengan menggunakan perbandingan mol metanol : lemak sapi 9:1 pada suhu 55oC dengan waktu reaksi 1,5 jam dan katalis CaO 3%. Hasil yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan bahwa lemak sapi cocok digunakan sebagai bahan baku berbiaya murah untuk memproduksi biodiesel.

(9)

ABSTRACT

Biodiesel is an alternative fuel for diesel engines consisting of the alkyl monoesters from vegetable oils or animal fats. Beef tallow is the non-edible raw material with low cost production and the availability is huge in the cattle production. The objective of the study was to utilize waste animal fat (beef) for biodiesel production using solid oxide catalyst. The solid oxide catalyst derived from the industrial waste eggshells. The waste materials calcined with temperature 900oC and time 2 hours, transformed calcium species in the shells into active CaO catalysts. The oil contained high free fatty acid (FFA) content of 1.86%. The FFA content of the oil was reduced by acid-catalyzed esterification. The product from this stage was subjected to transesterification to produce biodiesel. Transesterification process produces methyl ester and glycerol. The produced methyl ester on the upper layer was separated from the glycerol and then washed. Effect of various process variables such as amount of catalyst and temperature were investigated. The biodiesel properties like methyl ester content, density, viscosity, and flash point was evaluated and was found to compare well with Indonesian Standard (SNI). Under the best condition, the maximum yield of 82.43% beef tallow methyl ester was obtained by using 9:1 molar ratio of methanol to beef tallow oil at 55oC, for a reaction time 1.5 hours in the presence 3 wt% of CaO catalyst. The results of this work showed that the use of beef tallow is very suitable as low cost feedstock for biodiesel production.

(10)

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

PRAKATA iii

DEDIKASI iv

RIWAYAT HIDUP PENULIS v

ABSTRAK vi

ABSTRACT vii

DAFTAR ISI viii

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR TABEL xiv

DAFTAR LAMPIRAN xv

DAFTAR SINGKATAN xvii

DAFTAR SIMBOL xviii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 LATAR BELAKANG 1

1.2 PERUMUSAN MASALAH 5

1.3 TUJUAN PENELITIAN 5

1.4 MANFAAT PENELITIAN 5

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7

2.1 BIODIESEL 7

2.2 LEMAK SAPI 8

2.3 ALKOHOL 9

2.4 KATALIS HETEROGEN 10

2.5 ESTERIFIKASI 12

2.6 TRANSESTERIFIKASI 13

2.7 ANALISIS EKONOMI 15

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 17

3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 17

(11)

3.2.1 Bahan 17

3.2.2 Peralatan 17

3.3 PROSEDUR PENELITIAN 18

3.3.1 Preparasi Abu Kulit Telur Ayam 18

3.3.2 Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 19

3.3.3 Proses Esterifikasi 19

3.3.4 Proses Transesterifikasi 20

3.4 ANALISIS BIODIESEL 21

3.4.1 Analisis Kemurnian 21

3.4.2 Analisis Densitas 21

3.4.3 Analisis Viskositas 21

3.4.4 Analisis Titik Nyala 22

3.5 FLOWCHART PERCOBAAN 23

3.5.1 Flowchart Preparasi Abu Kulit Telur Ayam 23 3.5.2 Flowchart Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 24

3.5.3 Flowchart Proses Esterifikasi 25

3.5.4 Flowchart Proses Transesterifikasi 26

3.5.5 Flowchart Analisis Densitas 27

3.5.6 Flowchart Analisis Viskositas 28

3.5.7 Flowchart Analisis Titik Nyala 29

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 30

4.1 HASIL ANALISIS BAHAN BAKU 30

4.2 PREPARASI ABU KULIT TELUR AYAM 32

4.3 PROSES ESTERIFIKASI 32

4.4 PENGARUH VARIABEL PERCOBAAN TERHADAP YIELD

BIODIESEL PADA PROSES TRANSESTERIFIKASI 33

4.4.1 Pengaruh Suhu Reaksi terhadap Yield Biodiesel 33 4.4.2 Pengaruh Jumlah Katalis CaO terhadap Yield Biodiesel 35

4.5 ANALISIS SIFAT FISIK BIODIESEL 37

4.5.1 Analisis Densitas 37

4.5.2 Analisis Viskositas Kinematik 38

4.5.3 Analisis Kemurnian 40

(12)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 42

5.1 KESIMPULAN 42

5.2 SARAN 42

(13)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Trigliserida Menggunakan

CaO 14

Gambar 3.1 Flowchart Preparasi Abu Kulit Telur Ayam 23 Gambar 3.2 Flowchart Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 24

Gambar 3.3 Flowchart Proses Esterifikasi 25

Gambar 3.4 Flowchart Proses Transesterifikasi 26

Gambar 3.5 Flowchart Analisis Densitas 27

Gambar 3.6 Flowchart Analisis Viskositas 28

Gambar 3.7 Flowchart Analisis Titik Nyala 29 Gambar 4.1 Hasil Analisis GC Komposisi Asam Lemak dari

Lemak Sapi 30

Gambar 4.2 Hubungan antara Suhu Reaksi dengan Yield Biodiesel pada Kondisi Waktu Reaksi 90 Menit dan

Perbandingan Mol Alkohol terhadap Minyak 9:1 34 Gambar 4.3 Hubungan antara Jumlah Katalis CaO dengan Yield

Biodiesel pada Kondisi Waktu Reaksi 90 Menit

dan Perbandingan Mol Alkohol terhadap Minyak 9:1 36 Gambar 4.4 Hubungan antara Jumlah Katalis CaO dengan Densitas

Biodiesel pada Kondisi Waktu Reaksi 90 Menit dan

Perbandingan Mol Alkohol terhadap Minyak 9:1 37 Gambar 4.5 Hubungan antara Jumlah Katalis CaO dengan

Viskositas Kinematik Biodiesel pada Kondisi Waktu Reaksi 90 Menit dan Perbandingan Mol

Alkohol terhadap Minyak 9:1 39

Gambar 4.6 Hasil Analisis GC Biodiesel dari Lemak Sapi dengan Katalis Heterogen CaO pada Kondisi Suhu Reaksi

55oC dan Jumlah Katalis CaO 3% 40

Gambar L4.1 Hasil Analisis GC Komposisi Bahan Baku Lemak Sapi 56 Gambar L4.2 Hasil Analisis AAS Komposisi Katalis Abu Kulit Telur

Ayam 57

Gambar L4.3 Hasil Analisis GC Komposisi Biodiesel pada Kondisi Suhu Reaksi 50oC, Jumlah Katalis CaO, 2% Waktu Reaksi 90 Menit, dan Perbandingan Mol Alkohol

terhadap Minyak 9:1 57

(14)

Reaksi 90 Menit, dan Perbandingan Mol Alkohol

Gambar L4.5 Hasil Analisis GC Komposisi Biodiesel pada Kondisi Suhu Reaksi 50oC, Jumlah Katalis CaO 4%, Waktu Reaksi 90 Menit, dan Perbandingan Mol Alkohol

Gambar L5.1 Foto Kulit Telur Ayam 63

Gambar L5.2 Foto Penggilingan dengan Ball Mill 63

Gambar L5.3 Foto Serbuk Kulit Telur Ayam 63

Gambar L5.4 Foto Pengayakan Serbuk Kulit Telur Ayam 64 Gambar L5.5 Foto Pemanasan dengan Furnace 64 Gambar L5.6 Foto Abu Kulit Telur Ayam Hasil Kalsinasi 64 Gambar L5.7 Foto Pengujian Kadar Asam Lemak Bebas 65 Gambar L5.8 Foto Rangkaian Alat Esterifikasi 65

(15)

Gambar L5.11 Foto Pemisahan Hasil Esterifikasi dengan Corong

Pemisah 66

Gambar L5.12 Foto Minyak Hasil Pemisahan 66

Gambar L5.13 Foto Rangkaian Alat Transesterifikasi 67 Gambar L5.14 Foto Proses Transesterifikasi 67 Gambar L5.15 Foto Pemisahan Hasil Transesterifikasi dengan

Corong Pemisah 67

Gambar L5.16 Foto Metil Ester Hasil Pemisahan 68

Gambar L5.17 Foto Analisis Densitas 68

Gambar L5.18 Foto Analisis Viskositas 68

(16)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang

Pembuatan Biodiesel dari Lemak Sapi dan

Penggunaan Katalis Heterogen CaO 3

Tabel 2.1 Persyaratan Kualitas Biodiesel Menurut SNI 8 Tabel 2.2 Populasi Hewan Ternak per Ekor Tahun 2008-2012

di Indonesia 9

Tabel 2.3 Komposisi Asam Lemak dalam Lemak Sapi 9 Tabel 2.4 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia Metanol 10 Tabel 2.5 Komposisi Kimia dari Kulit Telur 11 Tabel 4.1 Komposisi Asam Lemak dari Lemak Sapi 31

Tabel 4.2 Sifat Fisika dari Lemak Sapi 31

Tabel 4.3 Komposisi dari Abu Kulit Telur Ayam 32 Tabel 4.4 Hasil Penelitian Pembuatan Biodiesel dari Limbah

Lemak Sapi dengan Menggunakan Katalis

Heterogen CaO dengan Variasi Suhu Reaksi 33 Tabel 4.5 Hasil Penelitian Pembuatan Biodiesel dari Limbah

Lemak Sapi dengan Menggunakan Katalis

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

LAMPIRAN 1 DATA BAHAN BAKU 48

L1.1 KOMPOSISI ASAM LEMAK BAHAN

BAKU LEMAK SAPI 48

L1.2 KOMPOSISI TRIGLISERIDA BAHAN

BAKU LEMAK SAPI 48

L1.3 KADAR FREE FATTY ACID (FFA)

LEMAK SAPI 49

LAMPIRAN 2 DATA PENELITIAN 50

L2.1 DATA DENSITAS BIODIESEL 50

L2.2 DATA VISKOSITAS KINEMATIK

BIODIESEL 50

L2.3 DATA YIELD METIL ESTER 51

LAMPIRAN 3 CONTOH PERHITUNGAN 52

L3.1 PERHITUNGAN KADAR FFA LEMAK

SAPI 52

L3.1.1 Perhitungan Kadar FFA Lemak Sapi

Sebelum Esterifikasi 52

L3.1.2 Perhitungan Kadar FFA Lemak Sapi

Setelah Esterifikasi 52

L3.2 PERHITUNGAN KEBUTUHAN METANOL 53 L3.3 PERHITUNGAN YIELD BIODIESEL 54 L3.4 PERHITUNGAN DENSITAS BIODIESEL 54 L3.5 PERHITUNGAN VISKOSITAS

KINEMATIK BIODIESEL 54

LAMPIRAN 4 HASIL ANALISIS 56

L4.1 HASIL ANALISIS KOMPOSISI BAHAN

BAKU LEMAK SAPI 56

L4.2 HASIL ANALISIS KOMPOSISI KATALIS

ABU KULIT TELUR AYAM 57

L4.3 HASIL ANALISIS KOMPOSISI BIODIESEL 57

LAMPIRAN 5 DOKUMENTASI PENELITIAN 63

L5.1 FOTO PREPARASI ABU KULIT TELUR

AYAM 63

(18)

LEMAK BEBAS 65

L5.3 FOTO PROSES ESTERIFIKASI 65

L5.4 FOTO PROSES TRANSESTERIFIKASI 67

(19)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Dimensi

T Suhu oC

N Normalitas larutan NaOH N

V Volume larutan NaOH terpakai ml M Berat molekul FFA lemak sapi gr/mol

m Berat sampel kg

ρ Massa jenis kg/m3

sg Spesific gravity

t Waktu alir s

(20)

DAFTAR SINGKATAN

AAS Atomic Absorption Spectrophotometry

BM Berat Molekul

cSt centistokes

et al et alia

FAME Fatty Acid Methyl Ester

FFA Free Fatty Acid

GC Gas Chromatography

rpm rotary per minute